La présente invention concerne un amortisseur et plus généralement, un dispositif de maintien comportant un amortisseur. Elle vise également un dispositif de maintien pour ouvrage d'art, par exemple un dispositif de haubanage, comprenant un amortisseur.
Dans leur utilisation en service, les systèmes mécaniques sont généralement sujets à des vibrations provoquées par les sollicitations extérieures. Ces vibrations affectent la durée de vie (notamment la résistance en fatigue), et doivent donc être prises en compte lors de la conception de structures durables. Ces considérations ont une portée générale, et jouent en particulier un rôle majeur dans le domaine du génie civil, où les vibrations rencontrées couvrent une large plage de fréquences et d'amplitudes. Citons par exemple :
Plutôt que de modifier la conception de la structure elle-même pour la rendre moins sensible aux vibrations - ce qui n'est pas toujours possible -, une stratégie plus souple et en général moins onéreuse consiste à utiliser des amortisseurs ou systèmes d'amortissement. La fonction principale de ceux-ci est de dissiper l'énergie mécanique liée au déplacement relatif entre deux parties (deux corps A et B) de la structure étudiée ; l'une pouvant être le sol, et l'autre l'ouvrage d'art.
Dans ce but, de manière classique un amortisseur tel que décrit dans le document
Plusieurs techniques sont possibles pour assurer la fonction de dissipation réalisée par l'amortisseur. Les systèmes visqueux (amortisseur hydraulique) sont parmi les plus courants, mais on peut citer également les amortisseurs à frottement, les amortisseurs élasto-plastiques, les amortisseurs à masse accordée.
Cependant, pour réaliser la fonction de dissipation d'énergie, une autre possibilité consiste à avoir recours à un élément de transmission de force, comprenant un composant en alliage à mémoire de forme qui se déforme en dissipant de l'énergie lorsqu'un tel déplacement relatif se produit.
On comprend que l'élément de transmission de force est un composant de l'amortisseur relié aux deux parties de liaison et qui sert à transmettre une force entre le corps A et le corps B, via les parties de liaison. La force ainsi transmise entre les corps A et B contribue à (ou permet de) maintenir les corps A et B dans une position relative constante (ou sensiblement constante).
L'intérêt du matériau à mémoire de forme est qu'il permet une dissipation de l'énergie de déplacement du composant qui vibre ou se déplace, mais reprend sa forme initiale sans présenter de déformation résiduelle lorsque la sollicitation mécanique cesse. Ce comportement spécifique est dit superélastique, typique des matériaux à mémoire de forme.
Cependant, de tels amortisseurs comportant des éléments de transmission de force comprenant un composant à base d'alliage à mémoire de forme perdent une grande partie de leurs propriétés d'amortissement dès que la fréquence de sollicitation dépasse une certaine valeur et/ou que les sollicitations se prolongent pendant plus qu'une certaine durée.
Ce problème conduit à écarter cette famille d'amortisseurs de certaines applications, notamment (mais pas seulement) celles qui nécessitent de pouvoir absorber des vibrations d'origine sismique, dont la fréquence peut être élevée.
Un premier objectif de la présente invention est de résoudre le problème indiqué précédemment, en proposant un amortisseur comportant une première et une deuxième parties de liaison, aptes à être reliées à deux corps pour amortir un déplacement relatif entre ceux-ci, et au moins un élément de transmission de force, relié à ces deux parties de liaison, et comprenant un composant à base d'alliage à mémoire de forme qui se déforme en dissipant de l'énergie lorsqu'un tel déplacement relatif se produit ;
amortisseur qui reste cependant utilisable et conserve ses propriétés d'amortissement dans un large domaine de fréquences de sollicitations.
Cet objectif est atteint grâce au fait que l'amortisseur comporte en outre des moyens de limitation de la température maximale atteinte par ledit composant, qui comprennent au moins un générateur de courant réalisé à base de matériau thermoélectrique et agencé de manière à pouvoir produire un courant électrique sous l'effet d'un échauffement dudit composant, ainsi que des moyens de dissipation de l'énergie électrique transportée par ledit courant.
Le rôle de l'élévation de température dans la perte des propriétés du composant à base d'alliage à mémoire de forme, lorsque celui-ci est soumis à des sollicitations à fréquence ou vitesse de chargement élevée, a en effet pu être mis en évidence par des recherches portant sur les propriétés de tels alliages.
Les propriétés spécifiques des alliages à mémoire de forme sont liées à une transformation de phase solide/solide entre des structures cristallographiques différentes l'austénite et la martensite.
Il est apparu au cours des recherches que le processus de transformation de phase est piloté par les sollicitations thermomécaniques locales, et s'accompagne d'une production de chaleur (contribution réversible liée à la chaleur latente et contribution irréversible liée aux forces de frottement microscopiques).
Expérimentalement, il a été constaté que les performances dissipatives des alliages à mémoire de forme décroissent quand la vitesse de chargement augmente. Les travaux de modélisation, complétés par des test expérimentaux, ont mis en évidence le fait que cet effet est lié au couplage thermomécanique : pour des vitesses de chargement élevées, la chaleur produite localement par le changement de phase n'a pas le temps de se diffuser dans le système, ce qui à chargement égal tend à limiter la dissipation d'énergie. Cet effet est d'autant plus réduit que le composant est maintenu à une température constante.
Pour cette raison, l'amortisseur selon l'invention comporte des moyens de limitation de la température maximale atteinte par le composant à base d'alliage à mémoire de forme ('le composant'). Grâce à ces moyens, les fonctionnalités de l'amortisseur (dissipation, absence de déformation résiduelle) sont rendues indépendantes de la température et par conséquent, de la vitesse de chargement (de sollicitation) de l'amortisseur.
Une large gamme d'alliages à mémoire de forme peut être utilisée pour la réalisation du composant. On peut utiliser par exemple l'alliage titane-nickel (TiNi), dit 'Nitinol', l'alliage Cuivre-aluminium-zinc CuAlZn, l'alliage cuivre-aluminium-nickel CuAlNi, etc.
La forme du composant peut être quelconque. Habituellement, les produits à base d'alliage à mémoire de forme se présentent sous la forme de fils, pouvant avoir différents diamètres, par exemple variant de moins de 1 millimètre à plusieurs centimètres.
Avantageusement, du fait de sa composition le composant permet une déformation de grande amplitude, par exemple allant jusqu'à 8% de sa longueur (dans la direction de la sollicitation en traction et/ou compression).
Enfin, dans un amortisseur selon l'invention, ledit au moins un composant à base d'alliage à mémoire de forme peut ne pas se déformer systématiquement lors de tout déplacement relatif entre les corps A et B. L'amortisseur peut être agencé de telle manière que le composant ne se déforme que pour certaines sollicitations, par exemple, seulement les sollicitations en traction.
Il est par ailleurs connu que, dans une pièce en matériau thermoélectrique, lorsqu'une différence de température apparaît entre deux points de la pièce, il apparaît également une différence de potentiel électrique entre ces deux points (effet Seebeck). En reliant électriquement ces deux points, via un résistor, il est possible de limiter l'échauffement relatif d'un point par rapport à l'autre en dissipant sous forme électrique, dans le résistor, l'énergie thermique présente au point le plus chaud.
Ce phénomène est exploité grâce au générateur de courant agencé au sein de l'amortisseur. De préférence, le générateur est agencé avec principalement une pièce en matériau thermoélectrique, dont une première partie est disposée de manière à s'échauffer quand le composant s'échauffe sous l'effet de sollicitations mécaniques, alors qu'une deuxième partie reste froide. La première partie de la pièce peut être disposée au contact ou au voisinage immédiat du composant ; la deuxième partie inversement se trouve de préférence à une certaine distance du composant, grâce à quoi elle ne subit pas, ou peu, d'échauffement.
Avec un tel agencement, l'échauffement local de la première partie de la pièce, se produisant par conduction et/ou convection de chaleur depuis le composant vers le matériau thermoélectrique, tend à faire naître une différence de potentiel entre la première et la deuxième partie de la pièce. Cette différence de potentiel permet d'engendrer un courant électrique ; la pièce en matériau thermoélectrique constitue donc un générateur de courant. Ce générateur permet de dissiper l'énergie thermique dégagée par le composant, sous forme électrique, au sein d'un résistor ou de tout autre système électrique permettant la dissipation d'énergie électrique.
Dans un mode de réalisation, les moyens de limitation sont aptes à réguler la température atteinte par le composant de telle sorte que celle-ci demeure à une température ou dans une plage de température souhaitée. Comme cela a été dit précédemment, c'est ainsi que l'on peut optimiser les performances dissipatives du composant.
Différentes techniques peuvent être utilisées pour assurer la limitation de la température maximale atteinte par le composant.
Dans un mode de réalisation, les moyens de limitation comportent un dispositif apte à faire circuler un fluide caloporteur autour dudit composant, et des moyens de limitation de la température maximale atteinte par ledit fluide. Ainsi, par l'intermédiaire du fluide caloporteur, la maîtrise de la température du composant découle de la maîtrise de la température du fluide. Cette dernière température peut être maîtrisée et régulée de manière connue en utilisant par exemple des pompe(s), échangeur(s) de chaleur, capteur(s) de mesure de la température en ligne, pilotés par une unité de contrôle notamment électronique.
Dans un mode de réalisation, un courant produit par le générateur de courant présenté précédemment est utilisé pour transmettre une information ; par exemple, en allumant une source lumineuse. Dans ce dernier cas, la source lumineuse témoigne à la fois de l'existence d'une sollicitation, mais aussi du bon fonctionnement de la chaîne de dissipation de l'énergie comprenant le composant et la pièce en matériau thermoélectrique.
Dans un mode de réalisation, une partie en matériau thermoélectrique du générateur est fixée sur une partie de liaison. Ainsi, cette partie du générateur, et en général l'ensemble du générateur, peut être découplée mécaniquement du composant.
Dans un mode de réalisation, l'amortisseur comporte des moyens pour signaler la rupture de l'un des éléments. Une source lumineuse, alimentée par un générateur de courant tel que présenté précédemment, est un exemple de tels moyens.
Avantageusement, le générateur de courant indiqué précédemment peut être utilisé pour émettre et transporter toute information relative à l'amortisseur. L'intérêt de ce générateur est qu'il est autonome en énergie, son énergie provenant simplement des sollicitations mécaniques appliquées à l'amortisseur.
Dans un mode de réalisation, dans l'amortisseur au moins un élément de transmission de force est lié à une portion de fixation d'une partie de liaison, un déplacement relatif de l'élément lié par rapport à ladite portion est stoppé à partir d'une position de blocage dans le sens qui tend à éloigner ledit élément lié de ladite portion, alors que ledit déplacement relatif est libre dans le sens inverse.
L'intérêt de cet agencement est qu'il permet que l'élément considéré (« l'élément lié ») ne peut être sollicité mécaniquement qu'en traction ; la traction s'exerçant nécessairement dans le sens qui tend à éloigner l'élément de la portion de fixation. En cas de sollicitation de l'élément dans le sens contraire, la fixation entre l'élément et la portion de fixation est prévue pour permettre le déplacement libre de l'élément, ce qui fait qu'aucune contrainte de compression ne se développe dans l'élément, et qu'ainsi notamment l'élément n'est pas sollicité en compression et évite donc un éventuel risque de flambage.
Dans un mode de réalisation, l'élément lié comporte une tige de liaison disposée de manière coulissante à l'intérieur d'un passage débouchant de ladite portion de fixation, et une portion de blocage fixée à l'extrémité de ladite tige de liaison, la forme de la tête de blocage empêchant le passage de celle-ci à travers ledit passage. On note que la portion de blocage peut être formée de manière intégrée avec la tige. En général il s'agit d'une tête de blocage qui est formée à l'extrémité de l'élément.
Dans un mode de réalisation, l'amortisseur comporte un premier et un deuxième desdits au moins un élément de transmission de force ; Le premier et le deuxième éléments sont fixés à une partie de liaison dite centrale ;
un déplacement de ladite partie centrale suivant une direction dans un sens soumet le premier élément à une traction, alors que le deuxième élément est en compression ou soumis à un effort nul ;
un déplacement de ladite partie centrale suivant la même direction mais en sens opposé soumet le deuxième élément à une traction, alors que le premier élément est en compression ou soumis un effort nul. Dans la phrase précédente, le terme 'effort nul' doit être compris comme un état sous faible contrainte, dans lequel peut être l'élément lorsqu'une de ses extrémités est libre.
Dans un mode de réalisation, l'amortisseur comporte un premier groupe et un deuxième groupe desdits au moins un élément de transmission de force ;
les éléments du premier et du deuxième groupe sont fixés à une partie de liaison dite centrale dont une portion de fixation est disposée entre les éléments du premier groupe et les éléments du deuxième groupe ;
la partie de liaison centrale se positionne sous l'effet des forces que lui appliquent les éléments des premier et deuxième groupes.
Un deuxième objectif de la présente invention est de proposer un dispositif de maintien pour un ouvrage d'art, comprenant un amortisseur permettant d'assurer de manière durable le maintien mécanique de l'ouvrage d'art, en particulier lorsqu'il est implanté dans une région présentant un risque sismique élevé. Le dispositif doit notamment être à même de conserver ses propriétés mécaniques dans un large domaine de fréquences de sollicitations.
Cet objectif est atteint grâce au fait que le dispositif comporte au moins un amortisseur tel que défini précédemment.
Le dispositif de maintien peut notamment comprendre au moins un hauban, par exemple être un ensemble de fixation par haubans.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
De manière générale, un amortisseur selon l'invention peut être relié à tout type de corps, qu'il s'agisse de machines, d'ouvrages d'art ou autre. Il peut ainsi être utilisé pour amortir les vibrations de machines tournantes, ou pour amortir des déplacements relatifs entre des organes de déplacement d'un véhicule (des roues) et le châssis de celui-ci, etc.
Dans l'exemple choisi pour illustrer l'invention (
Dans le dispositif de maintien 100, l'amortisseur 10 est fixé de côté (et non dans l'axe) sur un hauban 102, relié au tablier du pont. L'amortisseur 10 sert à amortir des vibrations et déplacements latéraux de la partie du hauban 102 à laquelle il est fixé. Naturellement, le dispositif de maintien 100 comporte d'autres haubans et d'autres amortisseurs identiques à l'amortisseur 10, non représentés.
L'amortisseur 10 comporte une première et une deuxième parties de liaison 12A et 12B, reliées à deux corps A et B pour amortir un déplacement relatif entre ceux-ci. Dans l'exemple considéré, le corps A est une bride fixée au tablier du pont, et le corps B est une bride fixée sur le hauban 102.
Les parties de liaison 12A et 12B sont fixées aux corps A et B par des moyens de fixation comprenant notamment des boulons 13A et 13B.
La première partie de liaison 12A se présente comme une barre de liaison, liant le corps A à une face d'extrémité 14 d'un caisson rigide 16. La barre 12A et le caisson 14 sont chacun suffisamment solides pour transmettre des efforts entre les corps A et B, à l'occasion d'un déplacement relatifs entre ces derniers.
La deuxième partie de liaison 12B se présente comme également une barre de liaison, liant le corps B à une plaque centrale 18 de l'amortisseur 10. Les deux barres 12A et 12B sont alignées sur un même axe X suivant lequel l'amortisseur 10 transmet des efforts entre les corps A et B.
Le caisson 16 relié à la barre 12A a une forme générale cylindrique allongée, et présente des faces planes 14 et 20 perpendiculaires à son axe X. Sa face d'extrémité 20 opposée à la face 14 comporte une ouverture centrale par laquelle passe la barre 12B.
La plaque centrale 18 est placée, dans la position de repos de l'amortisseur 10, sensiblement à mi-distance entre les faces 14 et 20, perpendiculairement à l'axe X. La position de repos de l'amortisseur est celle dans laquelle sensiblement aucune force ne transite via l'amortisseur entre les corps A et B.
La plaque centrale 18 est reliée au caisson 14 par deux groupes de quatre fils 30A et 30B. Chacun des fils 31A, 32A, 33A, 34A composant le groupe 30A relie la face 14 du caisson à la plaque centrale 18, parallèlement à l'axe X. De même, chacun des fils 31B, 32B, 33B, 34B composant le groupe 30B relie la face 20 du caisson à la plaque centrale 18, parallèlement à l'axe X. Les quatre fils de chacun des groupes 30A, 30B sont disposés symétriquement autour de l'axe X (avec une symétrie de rotation d'ordre 4). Les fils du groupe 30A et les fils du groupe 30B sont décalés angulairement autour de l'axe X, de manière à éviter qu'un fil d'un des groupes ne soit en face (suivant l'axe X) d'un fil de l'autre groupe.
Chacun des fils 31A-34A et 31B-34B (appelés collectivement 'fils 30') est légèrement tendu et ces tensions sont calculées pour permettre le maintien de la plaque 18 à mi-distance des faces 14 et 20, dans la position de repos de l'amortisseur.
Les fils 30 sont formés en fil en matériau à base d'alliage à mémoire de forme, c'est-à-dire composé majoritairement (et le plus souvent totalement) en un tel alliage de manière à présenter la propriété de mémoire de forme. Les fils 30 ont un diamètre de 2,5 mm et une longueur de 10 cm. La longueur de l'amortisseur (entre les axes des boulons 13A et 13B) est de l'ordre de 40 cm.
Les fils 30 constituent des éléments de transmission de force, relié aux deux parties de liaison 12A et 12B par l'intermédiaire respectivement du caisson 14, et de la plaque centrale 18.
Deux types de fixation sont possibles aux extrémités des fils reliées aux parties de liaison 12A et 12B, via respectivement les faces 14 et 20 du caisson 16, ou la plaque centrale 18 :
En revanche dans un deuxième type de fixation, qui est illustré notamment par la
La
La pièce 60 présente un passage cylindrique 62 qui la traverse de part en part. Ce passage a un diamètre légèrement supérieur à la section du fil 30, de manière à permettre le coulissement du fil 30 avec un faible frottement.
L'extrémité du fil 30 a la forme d'une tige 64. Celle-ci passe à travers la pièce 60 dans le passage 62. A l'extrémité de la tige 64 est fixée une tête de blocage 66 (ou portion de blocage). Celle-ci est trop grosse pour pouvoir passer à travers le passage 62.
Aussi, le fil 30 réagit de la manière suivante aux sollicitations qui lui sont transmises :
Au final, lors d'un déplacement relatif entre A et B suivant l'axe des X, l'amortisseur 10 réagit de la manière suivante :
La plaque 18 oscille et ce mouvement oscillant est peu à peu amorti. En effet, l'énergie de déplacement relatif des corps A et B est dissipée par les fils 30, du fait de leur comportement superélastique ; et assez rapidement le déplacement relatif entre A et B se stabilise, et la plaque centrale est ramenée à sa position de repos, ou à une autre position d'équilibre, au cas où l'amortisseur transmet une force (constante) entre les corps A et B.
Par ailleurs, l'amortisseur 10 comporte un limiteur de température 50 qui constitue un moyen de limitation de la température maximale atteinte par les fils 30.
Dans le mode de réalisation illustré par la
Ce caisson présente deux ouvertures 52 et 54, placées à ses deux extrémités (c'est-à-dire, à proximité respectivement des faces 14 et 20).
Le limiteur de température 50 comporte des conduites de prélèvement et de transport de fluide, qui prélèvent le fluide par l'ouverture 52, et le réinjectent par l'ouverture 54, après l'avoir fait transiter dans un système de régulation thermique 56.
Ce système de régulation thermique 56 comporte une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur, et des moyens de limitation de la température maximale atteinte par ledit fluide comprenant un capteur de de température du fluide, un échangeur de chaleur et une unité de contrôle électronique qui pilote l'échangeur de chaleur et la pompe en fonction des informations fournies par le capteur de température.
Dans le système de régulation thermique 56, le fluide subit un échange de chaleur. Le système de régulation thermique 56 peut être programmé pour limiter la température maximale atteinte par le fluide, ou pour réguler cette température, soit à une valeur donnée, soit dans une plage de températures donnée.
La
Dans ce cas, ces moyens sont réalisés en agençant, au sein même de l'amortisseur, un générateur 70 de courant électrique par effet Seebeck.
Pour cela, une pièce 72 en matériau thermoélectrique, ayant sensiblement la forme d'un disque épais, et présentant un passage 74 suivant l'axe du disque, est disposée autour du fil 30 au niveau de la tige 64. Le diamètre du passage 74 est à peine supérieur à celui de la tige 64, grâce à quoi celle-ci peut coulisser librement dans la pièce 72, mais communique facilement sa chaleur à la pièce 72.
La pièce 72 est fixée sur la pièce 60, qui est une partie de liaison ou solidaire d'une partie de liaison. Le générateur comporte en outre deux lignes électriques 76 et 78, fixées respectivement sur la partie centrale et sur la périphérie de la pièce 72.
Les lignes 76 et 78 sont reliées aux bornes d'un résistor 80. Enfin, une lampe électrique 82 est interposée sur la ligne 78.
Le générateur de courant 70 permet à l'amortisseur de fonctionner de la manière suivante : Lorsque l'amortisseur est sollicité par des déplacements (en fait, des oscillations) relatifs entre les corps A et B, cela induit un échauffement des fils 30. Cet échauffement se communique par conduction à la partie centrale de la pièce 72, la périphérie de cette pièce 72 restant, pour sa part, à température ambiante. Sous l'effet de cette différence de température un courant est généré par le générateur de courant 70. En passant à travers le résistor 80, le courant dissipe l'énergie thermique que le fil 30 transmet à la pièce 72. La dissipation de cette énergie permet de limiter la hausse de température des fils 30 ; ainsi, l'amortisseur conserve intactes ses capacités d'amortissement.
On notera que le mode de réalisation présenté sur les
Bien entendu, un amortisseur selon l'invention peut être plus simple. Il peut par exemple ne comporter qu'un seul groupe d'éléments (comprenant éventuellement un seul élément), tels que des barreaux rigides parallèles, joignant deux parties de liaison se faisant face. Dans ce cas, les éléments sont sollicités soit en traction, soit en compression, suivant le sens du déplacement relatif entre les corps A et B auxquels est fixé l'amortisseur.
En outre, dans les modes de réalisation présentés, l'élément de transmission de force et le composant à base d'alliage à mémoire de forme ne sont qu'une seule et même pièce, à savoir les fils 30. Naturellement, l'élément de transmission de force peut être plus complexe, et comporter par exemple des pièces de fixation aux extrémités d'une pièce en alliage de forme, pour assurer la fixation de cette dernière aux parties de liaison.
Enfin, naturellement, un amortisseur selon l'invention peut comporter d'autres moyens pour la dissipation de l'énergie de déplacement entre les corps A et B, venant en complément de la dissipation produite par le composant à base d'alliage à mémoire de forme. Par exemple, la pièce en matériau thermoélectrique peut être disposée dans le fluide caloporteur du premier mode de réalisation, et ainsi être déportée à distance du composant à base d'alliage à mémoire de forme. Le fluide caloporteur peut lui-même être un fluide visqueux, permettant un amortissement hydraulique.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.